高可靠卫星电源控制器电池充电管理单元

摘要

本发明提出了一种高可靠卫星电源控制器电池充电管理单元，包括四个电池充电管理子单元BCM1、BCM2、BCM3、BCM4，和8个双端口数模转换器；每个BCM输入信号包括充电电压值、充电电流值、蓄电池电压采样信号VBAT和主误差信号VMEA，其中，充电电流值及充电电压值通过双端口数模转换器获得；所述双端口数模转换器的两个端口通过主、备总线分别连接主、备控制器；每个BCM的输出信号连接到四冗余表决器，经过表决，产生VBCM信号。本发明的电池充电管理单元，满足卫星电源控制器高可靠性要求，减小其失效率。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星电源控制器技术领域，尤其涉及一种高可靠卫星电源控制器电池充电管理单元。

背景技术

全调节母线的电源控制器PCU在卫星供配电系统所起的作用相当重要，无论卫星处于光照区还是地影区，功率调节系统都使母线电压恒定在某一额定值。即由统一的MEA母线误差放大信号对电源分系统实现统一管理。当太阳电池阵的输出功率满足不了负载需要时，母线电压由放电调节器BDR调节，向输出母线提供功率；当太阳电池阵的输出功率大于负载需要但满足不了预先设置的电池组充电电流的要求时，母线电压由充电调节器BCR调节：当太阳电池阵的输出功率大于负载和充电电流的需要时，母线电压由分流调节器S3R来调节。由MEA对BDR、BCR、S3R进行调度，通过三域控制，达到稳定母线电压的目的。

PCU的结构示意图如附图1所示，在PCU系统中BDR，BCR，S3R都被等效为压控电流源，在MEA调度下为滤波电容充放电进而稳定母线电压。除MEA之外，蓄电池充电管理单元BCM是另一个重要的主控制单元，它产生VBCM信号，充电调节器BCR在VBCM作用下，实现蓄电池充电管理和母线调节，当卫星处于光照期时，BCR对蓄电池组进行充电，可实现恒流和恒压两种充电模式，并根据蓄电池组状态自动由恒流充电模式转为恒压充电模式，防止蓄电池组的过充；还可以根据太阳阵的供电能力及整星负载情况，自动实现恒流充电调节与MEA控制母线稳压调节的相互切换，DAC为数模转换器，控制器可以通过TC指令设定数模转换值，从而设定充电电流值和电压值。

分析BCM所起到的作用，如果BCM失效，会造成蓄电池充电功能丧失，经过足够长的时间，蓄电池电量耗尽，造成卫星在阴影区无法工作，因此，BCM的设计要求高可靠性。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出了一种高可靠冗余的卫星电源控制器电池充电管理单元,满足数字化卫星电源控制器高可靠性要求，减小整个数字控制系统的失效率。

本发明通过以下技术方案实现：

一种四冗余、双总线接口的适用于模块化设计的卫星电源控制器的充电管理单元，包括四个电池充电管理子单元BCM1、BCM2、BCM3、BCM4，和8个双端口数模转换器；每个BCM输入信号包括充电电压值、充电电流值、蓄电池电压采样信号VBAT和主误差信号VMEA，其中，充电电流值及充电电压值通过双端口数模转换器获得；所述双端口数模转换器的两个端口通过主、备总线分别连接主、备控制器；每个BCM的输出信号连接到四冗余表决器，经过表决，产生VBCM信号。

作为本发明的进一步改进，BCM1、BCM2及其所属的4个双端口数模转换器位于主遥测遥控单元，BCM3、BCM4及其所属的4个双端口数模转换器位于备遥测遥控单元。

作为本发明的进一步改进，所述四冗余表决器从四路输入信号中选取一个中间值作为输出，即：

VOUT=MAX{MIN(V1,V2),MIN(V3,V4)}

其中，MAX为取大操作，MIN为取小操作，V1、V2、V3、V4为表决器输入信号，VOUT为表决器输出信号。

作为本发明的进一步改进，所述主、备控制器与双端口数模转换器之间的通信由内总线实现，内总线采用一主多从的通信模式，可基于低电压差分信号LVDS实现；其中，主站为主份或备份控制器，子站为双端口数模转换器，总线包括CLK和CMD两个信号。

作为本发明的进一步改进，所述CMD信号为16位指令码，包括地址码、通道码、和数模转换值三个字段；当CLK为1时，CMD上升沿定义为起始条件；当CLK为1时，CMD下降沿定义为停止条件；通信过程中，主站控制CMD状态在CLK为0时发生变化，从站在CLK下降沿之后读取总线信号CMD数据，在地址位正确的条件下，当停止位发生之后，数模转换才生效。

附图说明

图1是现有技术中的全调节母线的电源控制器结构框图；

图2是本发明的高可靠冗余的卫星电源控制器电池充电管理单元的框图；

图3是现有技术采用的3冗余表决器电路原理图；

图4是本发明采用的4冗余表决器电路原理图；

图5是卫星电源控制器内总线的通信模式示意图；

图6是卫星电源控制器内总线的通信规约示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对卫星电源高可靠设计要求，本发明提出了一种四冗余、双总线接口的适用于模块化设计的卫星电源控制器的充电管理单元，如附图2所示，包括四个电池充电管理子单元BCM1、BCM2、BCM3、BCM4，和双端口数模转换器。

每个BCM（BCM1、BCM2、BCM3、BCM4）输入信号包括充电电压值、充电电流值、蓄电池电压采样信号VBAT和主误差信号VMEA，其中充电电流及电压设定通过双端口数模转换器实现，双端口数模转换器的两个端口通过主、备总线分别连接主、备控制器，以保证其可靠性，主份或备份控制器任何一个失效，另外一个控制器仍然能够通过TC指令设置电池充电电流和最高充电电压。各BCM单元的输出信号（V1、V2、V3、V4）连接到表决电路，经过表决，产生VBCM信号，任何一个BCM单元失效，表决电路都能根据其他三路BCM单元输出信号表决产生正确的输出。

在电源控制器传统设计中，控制电路采用三冗余设计，表决电路实现三冗余表决功能，附图3所示为三冗余表决器原理设计示意图，所实现的功能为：

VOUT=MAX{MIN(V1,V2),MIN(V2,V3),MIN(V1,V3)}（1）

式（1）中，MAX为取大操作，MIN为取小操作，V1、V2和V3为表决器输入信号，VOUT为表决器输出信号。附图3中，R1、R2、R3为上拉电阻，R4为匹配电阻，几个电阻间的关系为：R4>>R1=R2=R3，即R1、R2、R3阻值相等，R4远大于R1、R2、R3阻值。表决器输入输出关系示例如表1所示，从表1可以看出，表决器实现表决结果VOUT等于V1、V2、V3三者的中间值，V1、V2、V3任何一路发生错误，VOUT能够从另外两路得到正确的输出结果。

表1

序号V1V2V3VOUT13V3 V4 V3 V26 V8 V10 V8 V33 V4 V4 V4 V

本发明采用四冗余表决器，四冗余表决器的原理设计示意图如附图4所示，所实现的功能为：

VOUT=MAX{MIN(V1,V2),MIN(V3,V4)}（2）

式（2）中，V1、V2、V3、V4为表决器输入信号，VOUT为表决器输出信号。附图4中，R1、R2为上拉电阻，R3、R4为匹配电阻，几个电阻间的关系为：R3=R4>>R1=R2。表决器输入输出关系示例如表2所示，表决器实现表决结果VOUT等于V1、V2、V3、V4四者的中间值，V1、V2、V3、V4任何一路发生错误，VOUT能够从另外三路得到正确的输出结果。

表2

序号V1V2V3V4VOUT13 V4 V5 V6 V5 V23 V6 V4 V5 V4 V35 V5 V5 V6 V5 V45 V6 V6 V6 V6 V55 V5 V6 V6 V6 V65 V6 V5 V6 V5 V

附图2中，对双端口数模转换器的可靠性要求保证任何一个端口失效都不会造成另外一个端口失效，这样就保证了整体可靠性。表决电路采用高可靠电路结构，从V1、V2、V3、V4这四个变量中选取一个中间值作为VBCM输出，任何一路输入信号失效VBCM仍然能够保证其正确性，附图4中，表决电路对V1、V2和V3、V4先分别取小，再对两个结果取大，从而实现取中间值的目的，这样做的优点是硬件电路的对称性，表决电路A部分和表决电路B部分电路形式完全一样，有利于电源控制器的模块化设计。

在表2中，对于例5表决，如果V1、V2为故障状态，VOUT表决正确；对于例6表决，如果V2、V4为故障状态，VOUT表决正确。因此，在特定情况下，V1、V2、V3、V4有两路发生故障，VOUT仍然能够正确输出，所以相对于三冗余设计，本发明的四冗余设计可靠性有所提高。

本发明所采用的这种对称的电路结构，有利于实现电源控制器的模块化设计，附图2所示的电路位于遥测遥控单元，遥测遥控单元分为主、备两个模块。BCM1、BCM2及其所属的4个双端口数模转换器位于主遥测遥控单元，BCM3、BCM4及其所属的4个双端口数模转换器位于备遥测遥控单元。由于电路结构对称性，主遥测遥控单元和备遥测遥控单元可实现完全相同的设计。

总线的设计可以采用如附图5所示的LVDS通信方式，总线包括CLK和CMD两个信号，主站为附图2中主份或备份控制器，子站为附图2中各双端口数模转换器。

通信规约如附图6所示所示：16位指令码包括地址码、通道码、和数模转换值三个字段。当CLK为1时，CMD上升沿定义为起始条件。当CLK为1时，CMD下降沿定义为停止条件。通信过程中，主站控制CMD状态在CLK为0时发生变化，从站在CLK下降沿之后读取总线信号CMD数据，在地址位正确的条件下，当停止位发生之后，数模转换才生效。

综上所述，本发明的高可靠冗余的卫星电源控制器电池充电管理单元（1）采用四冗余对称结构设计方法，每个BCM（BCM1、BCM2、BCM3、BCM4）输入信号包括充电电压值、充电电流值、蓄电池电压采样信号VBAT和主误差信号VMEA。

（2）充电电流及电压设定通过双端口数模转换器实现，两个端口通过主、备总线分别连接主、备控制器，以保证其可靠性，主份或备份控制器任何一个失效，另外一个控制器仍然能够设置电池充电电流和最高充电电压。

（3）各BCM单元的输出信号（V1、V2、V3、V4）连接到表决电路，经过表决，产生VBCM信号，任何一个BCM单元失效，表决电路都能根据其他三路BCM单元输出信号表决产生正确的输出。

（4）双端口数模转换器的可靠性要求任何一个端口失效都不会造成另外一个端口失效，这样就保证了整体可靠性。

（5）表决电路采用高可靠电路结构，从V1、V2、V3、V4这四个变量中选取一个中间值作为VBCM输出，任何一路输入信号失效VBCM仍然能够保证其正确性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。